复合材料科学与工程

孟超, 张熙, 何志祥, 彭卫东

2019, 0(10): 5-9.

摘要 ( 167 )

PDF (1315KB) ( 367 )

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使用自主设计的声发射检测系统完成了碳纤维复合材料在拉伸断裂试验中的声发射信号采集,采用小波分析、频谱分析与特征参数分析相结合的方法对试验中所得的两组声发射信号进行了对比分析,建立了故障特征频率与复合材料损伤模式之间的联系,找到了碳纤维复合材料在损伤过程中声发射信号主要成分的变化规律。

多区间热压对拉挤制件成型质量的影响

王宇, 齐俊伟, 王跃全, 肖军

2019, 0(10): 10-18.

摘要 ( 67 )

PDF (6972KB) ( 69 )

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先进拉挤成型技术以预浸料为原材料,通过不同铺层组合实现制件的力学性能可设计性,在控制生产成本及灵活性方面具有独特的优势,本课题选用X850预浸料进行研究,分析其典型热压罐成型工艺和先进拉挤成型工艺的区别,针对先进拉挤成型中热压固化的特点,分析各区间在制件成型过程中的作用,利用差式扫描量热法(DSC)研究X850预浸料中树脂的固化动力学,确定各区间温度制度选取原则,为了防止孔隙的形成与扩大,合理选取各区间压力制度,运用正交试验的方法设计固化工艺方案,研究多区间温度制度、压力制度对拉挤制件成型质量的影响趋势,运用实验室自行设计的拉挤设备进行试样的制备,以弯曲强度、层间剪切强度、孔隙率为表征在正交试验方案中优选了6号方案(预处理温度为160 ℃,保温30 min,固化温度为180 ℃,保温时间为20 min,固化压力为0.8 MPa)为最终拉挤工艺方案。

纤维增强水泥基复合材料弯曲性能与纤维作用机理研究

龚宏伟, 江世永, 陈进, 陶帅

2019, 0(10): 19-25.

摘要 ( 121 )

PDF (5636KB) ( 184 )

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通过四点弯曲试验,研究了5组不同PVA纤维掺量的纤维增强水泥基复合材料试件的弯曲性能。试验结果表明,纤维掺量对试件的弯曲性能有着显著影响,掺入适量纤维可以明显改善试件的脆性破坏特征,裂缝呈现出细而密的特点。当纤维体积掺量V_f不超过2.0%时,初裂弯曲强度、峰值弯曲强度、等效弯曲强度值和韧性指标均随纤维掺量的增加而增大;而V_f为2.5%的试件流动性能较差,部分纤维结团,弯曲强度较V_f=2.0%组试件有所下降。结合荷载-挠度曲线,采用电镜扫描定性分析了复合材料中纤维的作用机理,对影响纤维桥联作用发挥的因素进行了研究。

粘结界面层属性对石墨烯纳米复合材料力学性能影响的有限元分析

黄君, 吴宇, 黄立新

2019, 0(10): 26-32.

摘要 ( 121 )

PDF (1431KB) ( 177 )

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针对石墨烯纳米复合材料粘结界面层材料属性非均匀分布这一现象,本文推导出可以模拟任意函数分布的空间两节点等参梯度单元。假设单层石墨烯在基体内均匀分布且无团聚现象,建立石墨烯纳米复合材料的嵌入式代表体积单元(Representative Volume Element,简称“RVE”)有限元模型,对石墨烯纳米复合材料力学性能进行预测。本文讨论了石墨烯体积含量V^g_fr、粘结界面层的厚度t_in和脱粘情况对纳米复合材料整体力学性能的影响。模拟结果显示,在石墨烯含量V^g_fr=3.0%时,模型中t_in的取值由0.17 nm增大到1.02 nm会使复合材料杨氏模量E_cx的预测结果偏差17.4%。在对石墨烯与基体粘结情况讨论中发现,石墨烯边缘脱粘使E_cx下降明显,脱粘的边缘面积为总面积的1/6时,模量降低约10%。

碳纤维复合材料开孔层合板压缩损伤预测和模型比较

唐荆, 陈啸, 杨科

2019, 0(10): 33-39.

摘要 ( 121 )

PDF (5991KB) ( 390 )

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针对平面和弧面开孔层合板采用Abaqus有限元软件建立了壳单元、壳-胶层混合单元以及壳-实体混合单元有限元模型,并分别采用通用的Abaqus内置程序和自定义的用户子程序进行层合板压缩损伤分析。模型选取Hashin、改进Tsai-Wu和Quads失效准则分析了两种层合板在开孔压缩过程中的屈曲变形、层内失效及分层,并与文献中的试验进行对比。结果表明,本文所建的五种模型对弧面开孔层合板的强度预测误差均小于7%,且能捕捉到圆孔周围损伤起始以及承载力下降。仅依靠Abaqus程序内置Hashin失效准则的壳模型即可为弧面开孔层合板提供较为简单高效的强度评估,但在平面开孔层合板中采用改进Tsai-Wu失效准则的自定义子程序对强度和损伤预测更为可靠。

界面粘结特性对表层嵌贴FRP板条加固RC梁抗弯性能的影响分析

张智梅, 黄庆彬, 赵雷

2019, 0(10): 40-45.

摘要 ( 119 )

PDF (1423KB) ( 224 )

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利用ABAQUS对表层嵌贴(NSM)FRP板条加固的钢筋混凝土梁进行有限元模拟,提出考虑FRP-混凝土界面破坏的加固梁的模拟方法,即在界面上运用弹簧单元模拟FRP-混凝土的粘结-滑移关系,研究界面粘结-滑移性能对表层嵌贴FRP加固混凝土梁抗弯性能的影响。结果表明:FRP-混凝土界面的粘结滑移对NSM FRP加固梁的抗弯性能有较大影响,必须加以考虑。模拟时,在FRP-混凝土界面间用非线性弹簧连接可以较好地模拟出界面破坏,在研究加固梁在正常使用极限状态下的各项性能时,使用线性弹簧连接进行表层嵌贴FRP加固梁的模拟更加便捷且不失精度。

玻璃纤维增强聚丙烯和环氧复合材料低速冲击损伤对比研究

骆传龙, 倪爱清, 王继辉, 陈宏达

2019, 0(10): 46-50.

摘要 ( 60 )

PDF (4149KB) ( 184 )

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分别用聚丙烯树脂(热塑性)和环氧树脂(热固性)制备了连续E玻璃纤维增强复合材料层合板,并对这两种复合材料层合板进行低速冲击及冲击后压缩试验,研究基体材料类型对复合材料层合板低速冲击损伤的影响。选用30 J、40 J、50 J以及60 J的冲击能量对层合板进行低速冲击,并对冲击后的层合板进行压缩试验,得到了这两种层合板的冲击后剩余压缩强度。结果表明,由于玻璃纤维增强聚丙烯和环氧树脂复合材料的层间断裂韧性和树脂基体的韧性不同,两种层合板的低速冲击损伤面积、凹坑深度、冲击后压缩破坏机制以及压缩强度降低值均有较大的差异,基体材料类型对复合材料低速冲击损伤有至关重要的影响。

无限大功能梯度板中弹性导波频散特性的研究

廖智麒, 罗毅

2019, 0(10): 51-57.

摘要 ( 99 )

PDF (1566KB) ( 151 )

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建立了无限大功能梯度板的理论模型,得到了直角坐标系下功能梯度板的几何方程。采用Rayleigh-Ritz法(RRM),引入Legendre正交多项式作为位移试函数,基于Hamilton原理获得了功能梯度板中弹性导波的频散方程。数值计算各向异性材料组成的无限大功能梯度板中相速度和群速度频散曲线,分析了不同体积分数指数N、不同入射角θ对功能梯度板中导波传播的影响。研究结果表明,当采用高阶节点数计算时,Rayleigh-Ritz法在分析导波问题上具有很好的收敛性和准确性。

湿热环境下复材修理压缩解析模型及极限载荷的二分法分析

苏日新, 余音

2019, 0(10): 58-64.

摘要 ( 106 )

PDF (1519KB) ( 155 )

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解析模型具有计算速度快、直观反映各参数对力学性能的影响等优点。建立了湿热环境下复材修理压缩解析模型。模型中考虑了湿热对复合材料力学性能的影响,以及湿热所产生的湿热应力。模型假设修理结构受压后的破坏模式分为母板压缩破坏、补片压缩破坏和胶层剪切破坏三种,任何一种破坏模式先发生,对应的载荷即为极限载荷。模型先直接求得湿热环境下补片或母板压缩破坏模式下对应的极限载荷,引入二分法求得湿热环境下胶层剪切破坏模式下对应的极限载荷。在不同湿热环境下对复材胶接修理结构进行压缩试验,并用本文方法求出解析解,试验结果和解析解吻合良好。本文方法可以为湿热环境下复材胶接修理结构的设计提供参考。

碳纤维复合材料双胞日字形管轴向压溃吸能特性研究

刘强, 何兆亨, 马艺涛, 付杰

2019, 0(10): 65-69.

摘要 ( 144 )

PDF (5668KB) ( 233 )

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多胞复合材料管制备难度大,本文研究探索了碳纤维复合材料(Carbon Fiber Recinforced Plastic,简称“CFRP”)日字形管的一体化制备工艺方法,研究了日字形方管轴向压溃下的破坏模式和吸能性能,比较了等质量和等壁厚日字形管与单胞方形管的性能差异。研究表明,CFRP日字形管的吸能性能低于CFRP单胞方管的。与单胞方管相比,等质量的日字形管和等壁厚的日字形管比吸能分别下降了49.05%和3.34%。这是由于为保持日字形管和方管截面质量一致,日字形管需要减少壁厚,这将易引起管发生低吸能的中部断裂破坏模式,而等壁厚的日字形管与方形管相比,由于中间加入了筋板,将导致中间T形角区域破坏不充分。设置触发角是一种能有效降低峰值力并提升比吸能的方法,设置触发角后,峰值力降低了26.21%~41.74%,比吸能提高了2.52%~11.31%。不同于金属管可以通过多胞来增加角从而使其吸能显著增强,碳纤维管多胞化并不能有效提高所制备碳纤维复合材料日字形管的吸能性能。

碳纤维复合材料直升机传动轴设计研究

蔡光胜, 张锦光, 毛戈

2019, 0(10): 70-74.

摘要 ( 134 )

PDF (3512KB) ( 371 )

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碳纤维复合材料具有比强度高、比模量高、质量轻、减振性能好等特点,针对某直升机传动轴的强度和临界转速要求,设计了一种碳纤维复合材料直升机传动轴。采用ABAQUS对碳纤维传动轴薄弱环节胶层进行内聚力有限元仿真,仿真结果证实胶层设计合理,并对碳纤维复合材料直升机传动轴的固有频率进行了仿真分析和实验分析,实验结果与理论分析相吻合,且与仿真结果的误差较小,说明所设计的碳纤维复合材料传动轴的临界转速可以满足直升机传动轴要求。

AFRP加固钢筋混凝土受损梁抗剪性能试验研究

邢丽丽, 孔祥清, 韩飞, 何文昌

2019, 0(10): 75-81.

摘要 ( 140 )

PDF (4937KB) ( 300 )

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对7根芳纶纤维增强复合材料(AFRP)加固钢筋混凝土受损梁的抗剪性能进行了试验研究,研究了不同预损程度、FRP条带间距及FRP类型对抗剪加固效果的影响,并与未加固的混凝土梁进行对比,分析了其特征荷载、破坏形态、荷载-挠度曲线、箍筋及纤维布的荷载-应变曲线。试验结果表明:AFRP加固技术可以有效提高钢筋混凝土梁的抗剪承载力。不同的预损程度对AFRP加固钢筋混凝土受损梁的影响较大,受损程度越大,加固效果越差,当受损程度达到未加固梁极限荷载70%及以上时,粘贴AFRP纤维布加固混凝土梁对抗剪承载力的提高效果较差,甚至加固后无法达到未加固梁的极限承载力,并且AFRP条带粘贴间距越小,加固效果越好。与玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)相比,AFRP加固梁的承载力提高程度稍高一些。最后,在理论和试验的基础上,提出了FRP加固钢筋混凝土受损梁抗剪承载力的计算公式。

短碳纤维对丁腈橡胶力学及摩擦学性能的影响

王广飞, 许家旺, 周伟, 何强

2019, 0(10): 82-89.

摘要 ( 66 )

PDF (10532KB) ( 197 )

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为研究短碳纤维对丁腈橡胶力学及摩擦学性能的影响,采用机械共混法在丁腈橡胶(NBR)中添加不同质量份数的短碳纤维(CF),进行拉伸和撕裂实验。结合三维形貌和扫描电镜,分析了在不同加载力和转速条件下,添加0份和15份短CF时硫化胶的摩擦性能。结果表明:短CF可增强丁腈橡胶的基体强度,增大其硬度;但添加过量时,短CF与橡胶基体结合度下降,在拉伸、撕裂和摩擦过程中易造成纤维拔出。在丁腈橡胶中添加15份短CF可降低其摩擦系数,减少其磨损量。CF/NBR复合材料摩擦系数受转速影响较小,当转速较高时,硫化胶摩擦界面会产生大量热能,从而出现熔融现象,导致其磨屑变小。在摩擦过程中短CF与橡胶基体共同承载了力的作用,使CF/NBR复合材料具有良好的耐磨性能。

吸湿条件下可剥布处理对复合材料胶接性能的影响

王英男, 潘利剑, 刘钧天, 刘宇婷

2019, 0(10): 90-95.

摘要 ( 109 )

PDF (4509KB) ( 188 )

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采用T300/Cycom970预浸料,选取R60、R60s、P60001和EA9895 4种可剥布,利用热压罐分别制备不带有可剥布以及表面带有不同可剥布的复合材料层合板;在(80±2)%RH(相对湿度)和(70±1) ℃环境下对其进行吸湿处理,时间分别为0、10 d、20 d和40 d。采用Henkel航空PL7000型号胶膜对处理后的层合板进行胶接并制备试验样品。对试样的单搭接剪切强度、剥离强度进行测试,并分析胶接破坏形式,探讨吸湿条件下,可剥布处理对复合材料胶接性能的影响;通过环境扫描电子显微镜、X射线光电子能谱仪测试分析吸湿条件下不同类型可剥布对复合材料胶接界面的影响因素。结果表明:随着吸湿时间的增加,聚酰胺类可剥布吸湿率最终为0.8%左右,而聚酯类可剥布为0.6%左右。随着吸湿度的增加,复合材料的单搭接剪切强度下降40%~50%;吸湿时间为40 d时,四种可剥布处理的试样性能非常接近。未经处理试样始终发生黏附破坏,可剥布处理试样吸湿前期,破坏模式逐渐向黏附破坏转变,最终全部变为内聚破坏。吸湿处理后复合材料表面相比未吸湿形成了较多的空腔及缺陷,表面存在柔性聚合物残留,聚酰胺类可剥布处理后复合材料表面氮元素较之前提升了25%左右,影响了胶接面的化学性质。

基于风电叶片制造过程的BOM模块化管理

刘妍, 宋洁, 赵立岩, 高国强

2019, 0(10): 96-101.

摘要 ( 116 )

PDF (1413KB) ( 245 )

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在风电叶片行业中BOM是企业管理最基本的数据,被应用于企业的各个方面。但是随着新能源行业日趋激烈的竞争,传统BOM的管理模式已经不能满足风电行业定制化与快速交付的需求。本文对风电叶片制造过程中传统BOM管理模式下存在的问题进行解析,并提出了应用BOM模块化与可配置化的管理方式,阐述了BOM模块化的构建思路与原则及提高BOM数据准确性的方法。通过使用BOM模块化管理模式可减少数据冗余,提高BOM的管理效率。

复合材料成型模局部凸模脱模机构的设计与制造

沈各锋

2019, 0(10): 102-105.

摘要 ( 106 )

PDF (1090KB) ( 171 )

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对于存在小曲率半径的复合材料制品,采用单模和袋压成型时容易出现富胶、缺胶、气泡、分层等缺陷,而采用局部凸模的袋压成型方法可以有效地解决这一问题。针对部分嵌入深度较深、脱模斜度较小的局部凸模难以脱模的现实,设计出了一种较为简便的脱模机构,从而解决了局部凸模的袋压成型后装卸的问题。并且提出了采用专用夹具定位、在数控机床上加工的方法,解决了局部凸模在制造和修理时如何定位和装夹的问题。该脱模机构圆满地解决了局部小曲率半径复合材料制品在袋压成型过程中的各种问题。

固化剂体系均质化对EP/GF复合材料界面性能的影响

李亚锋, 郭妙才, 洪旭辉

2019, 0(10): 106-111.

摘要 ( 96 )

PDF (6005KB) ( 204 )

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采用自制溶剂对以双氰胺+聚脲为固化体系的环氧树脂(EP)进行了均质化处理,采用微球脱粘法对均质化前后树脂浸渍高强玻璃纤维(GF)形成的微球形态、界面剪切强度等进行了表征。研究表明均质化后树脂微球微观尺度上的均匀性明显提高。均质化前的树脂微球直径与界面剪切强度呈线性关系,且平均强度较低。均质化后的树脂微球直径与界面剪切强度无相关性,平均强度比均质化前提高了39%,复合材料性能离散系数减小了50%以上,稳定性明显提升。

风电叶片涂层耐侵蚀性能

桂永强, 倪爱清, 王继辉

2019, 0(10): 112-117.

摘要 ( 69 )

PDF (8258KB) ( 147 )

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建立了雨滴冲击叶片涂层前缘的模型,通过动力学软件研究雨水冲击涂层过程中的受力状况,并通过实验证明了这种观点,然后对涂层材料的优化组合提出建议,最后研究了雨蚀过程中叶片表面水膜对雨滴冲击的缓冲效应。结果表明:雨滴的冲击会造成涂层的拉伸疲劳破坏,在涂层的优化组合时选用模量较低的漆料放置于表层可以减小涂层所受的拉伸应力,涂层表面水膜能够明显减少冲击时的应力。

水下装备用碳纤维复合材料传动轴研究

吉礼超, 宗方勇, 刘魏魏, 肖文刚

2019, 0(10): 118-122.

摘要 ( 115 )

PDF (2446KB) ( 218 )

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从原材料选择、铺层结构对水下装备用碳纤维复合材料传动轴进行了设计,着重介绍了传动轴的设计计算过程,首先根据设计指标进行了传动轴铺层设计,然后采用层合理论和有限元相结合的方法对传动轴的扭转屈曲、扭转载荷及临界转速进行了分析,并根据设计的铺层方案制作了模拟样件,最后对模拟样件进行了扭转试验。结果表明:设计的铺层方案可以满足传动轴的设计指标要求。

复合材料机身隔框制造技术分析与现状

王霖, 韩小勇, 田茶, 苏佳智

2019, 0(10): 123-128.

摘要 ( 213 )

PDF (4971KB) ( 317 )

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介绍了复合材料机身隔框的作用及结构特征,复合材料机身隔框是飞机的主承力结构,具有结构特殊、数量众多且质量一致性要求高的特点,因而增加了其制造工艺难度。对该零件在制造过程中的关键工艺难点进行了详细分析,包含纤维褶皱、纤维间隙及角度偏差、拐角区厚度及固化质量、固化变形及自动化制造技术;并对国内外关于该零件的制造工艺研究及应用情况进行介绍,提出要顺应复合材料发展趋势,采用自动化方式开展复合材料机身隔框的制造。

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